土星為啥帶個「草帽」？原來它是個幫科學家了解行星形成的天然「實驗室」

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夜幕降臨時，透過望遠鏡，你會看到一顆特別的天體，看上去像是一頂紋飾精美的「草帽」，它就是土星，美麗的「帽沿」便是大名鼎鼎的土星環。土星環是如何形成的？光環內物質有著怎樣的精細特徵？一直以來，無論是天文愛好者，還是專業的天文學家，都渴望能更多地揭開土星環的面紗。

對土星環進行探測，是「卡西尼」號探測器的任務之一。通過分析「卡西尼」號任務結束前傳回的數據，科學家團隊對土星環有了新的認識，同時也產生了一些新的疑問。相關論文日前發表在《科學》雜誌上。

誕生是個謎

土星環是個「年輕人」

長久以來，圍繞土星環的形成有多種假說。其中一種認為，土星誕生之初可能就帶著光環，這意味著土星環可能有著數十億年的歷史。

了解土星環的質量是解鎖其年齡秘密的重要一環。此前，科學家已經弄清楚了土星環的質量與其年齡之間的關係：質量越低，環越年輕。

燃料耗盡前，「卡西尼」號在土星和土星環之間進行了22次俯衝，以進入土星的重力場。在那裡，它可以感受到土星和環的引力。一旦科學家知道引力對「卡西尼」號的影響有多大，他們就能確定土星以及環的質量。

通過分析「卡西尼」號傳回的數據，科學家對土星環的質量有了新的認知。多年來，科學家一直傾向於相信土星主環B環的質量很大，甚至大過土衛一。

然而，「卡西尼」號的無線電科學團隊測量得到的主環B環只是土衛一質量的0.4倍。

「這麼小的質量，不可能是跟土星一起形成的。」中科院國家天文台研究員平勁松介紹，此外，「卡西尼」號攜帶的宇宙塵埃分析器獲得的數據，同樣支持土星環的年齡約在1.5億—3億年之間，或是更加年輕這一結論。

既然不是和土星同時形成的，那土星環是如何誕生的？科學家推測，可能是一顆彗星或是小行星撞上了土星的一顆衛星，產生的碎屑留在軌道上，被持續撕裂，造就了土星環。

如果這種假說成立，那麼這顆「粉身碎骨」的天體有多大？平勁松介紹，據測算，它的質量和月球差不多大小。

土星環的年齡比此前設想的要年輕得多，是「卡西尼」號帶來的驚人發現之一。平勁松認為，現有的發現改寫了土星環演化起源的歷史，這一形成機制可能不僅適用於土星環，對於其他行星環的形成來說也可能是成立的。

土星環的「三面像」

不同結構有獨特成因

明亮又寬廣的土星環，延伸到土星以外遼闊的宇宙空間。從遠處看，它是一個柔和、整體的光環。但是，根據探測器近距離拍回的照片顯示，這個環並非整體，而是由許多小環組成。

主要的土星環，寬度從48公里到30.2萬公里不等。距離土星從近到遠的土星環分別按被發現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E環。其中，B環最寬、最亮，質量也最大。

在最後一次觀測土星環時，「卡西尼」號發現了從塊狀到稻草狀的各種紋理和圖案。它所拍攝的星環特寫照片展示了星環內部三種截然不同的結構——團塊結構、平滑結構和條紋結構。

星環內部不同的紋理和結構如何形成的？平勁松逐一進行了分析。當一個小天體撞上土星衛星後，從動力學過程分析，撞擊後的碎片會逐漸從大塊往小塊變化。在這個過程中，碎片逐步均勻分布的可能性較高。土星環中比較平坦光滑的部分，可能就是在這樣一個過程中形成的。

碎片運動過程，會受到其他衛星的作用。並不是所有的區域都存在穩定的軌道，在一些屬於共振的區域，會出現不穩定的情況。碎片停留在不穩定的區域，可能會被拽走。密度高的地方相對穩定，密度低的地方就不太穩定，這樣會形成條紋狀的結構。

還有一些重新匯聚出來的、尺寸比較大的土星衛星，它的軌跡和光環是在一個平面上。它對光環的影響，就像一艘快艇衝到河裡的效果一樣。光環在被衝擊的過程中，一些地方的邊緣就不那麼均勻了，進而形成團塊的現象。

「這是三種比較可能的狀態，當然，在土星環的形成過程中，也還有其他的因素在起作用。」平勁松說道。

天然的實驗室

提供研究行星形成的線索

事實上，令科學家著迷的，不僅僅是土星環本身。土星環內部物質相互作用的過程，與恆星周圍原行星盤內的行星形成過程極為相似。

「因此，土星環可視作是一個天然的實驗室，為科學家進一步了解行星的形成過程提供諸多線索。」平勁松說道。

眾所周知，恆星在由氣體和塵埃組成的巨球（原星系盤）中心形成, 剩餘的物質漸漸凝聚為類似土星環的圓盤，行星則在這個圓盤中逐漸聚集而成。

如今的太陽系，已經很難找到形成之初的直接線索了。但藉助對土星環的研究，或許能部分還原當時的情形。

如果說，早期岩石類的行星在宇宙中碰撞聚集形成還是一個假說的話。那麼，土星環里的小衛星，與環內大量存在的多冰顆粒發生交互作用，則提供了實實在在的例子。

「起初，小天體撞擊土星衛星時，它被分解成無數個小碎塊。其中一些在環內運行時，相互聚攏堆積成密度不太大、體積略微大一點的天體，成為了土星的衛星。這和早期岩石類行星形成的過程非常相似。」平勁松說道。他認為在行星形成演化的過程中，撞擊和匯聚是平行的兩個重要方式。碰撞讓物質重新分布，匯聚讓體積逐漸變大，最終形成目前所看到的情形。在39億年前，甚至更早的時期，估計發生概率更高的是一邊碰撞一邊匯聚的情形。

隨著研究的深入，土星環的面紗被逐步揭開。但關於土星環仍然還有不少待解的謎團。比如，土星環的內環和高層大氣已經很接近了，那麼它和高層大氣之間存在什麼樣的物質交換作用機制？按照目前的動力學過程，土星環會存在多久？土星環里大一點的冰塊是否會再次瓦解？想要回答這些問題，還有待進一步的科學研究。

來源：帶你去看耿耿星河

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